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1、 1 / 23微机继电保护微机继电保护课程设计课程设计论文论文题目：题目：220kV220kV 输电线路距离保护设计输电线路距离保护设计22 课程设计课程设计论文论文报告的容与其文本格式报告的容与其文本格式1、课程设计论文报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，容包括：封面包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生、指导教师、起止时间等设计(论文)任务与评语中文摘要 黑体小二，居中，不少于 200 字目录正文设计计算说明书、研究报告、研究论文等参考文献2、课程设计论文正文参考字数：2000 字周数。3、封面格式4、设计论文任务与评语格式5、目录格式标题“目录小二号、黑体、居中章标题小四号
2、字、黑体、居左节标题小四号字、宋体页码小四号字、宋体、居右6、正文格式页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行距：20 磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献，小二，黑体，居中。示例：五号宋体期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名版本.出版年,卷次期次:页次.图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:，出版年:页次. 1 / 23课程设计课程设计
3、论文论文任务与评语任务与评语院系：电气工程学院 教研室：电气工程与其自动化学 号130303016学生高逸飞专业班级电气 131 班课程设计论文题目220kV 输电线路距离保护设计2课程设计论文任务系统接线图如图：课程设计的容与技术参数参见下表设计技术参数工作量线路每公里阻抗为 Z1=0.38/km,线路阻抗角为 L=64,AB、BC 线路最大负荷电流为 800A,负荷功率因数为cosL=0.9,8 . 0IrelK。电源电势为8 . 0relK35. 0relKE=230kV, ZsAmax=13,ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=15。归算至 230kV 的各变压器阻抗为
4、156,容量 ST 为 30MVA。其余参数如下图。一、整定计算1.计算保护 1 距离保护第段的整定值和灵敏度。2.计算保护 1 距离保护第段的整定值和灵敏度。3.计算保护 1 距离保护第段的整定值和灵敏度。4.分析系统在最小运行方式下振荡时，保护 1 各段距离保护的动作情况。5.当距保护 1 出口 20km 处发生带过渡电阻Rarc=12 的相间短路时，保护 1 的三段式距离保护将作何反响设 B 母线上电源开路？二、硬件电路设计包括 CPU 最小系统、电流电压数据采集、开关设备状态检测、控制输出、报警显示等局部。三、软件设计说明设计思想，给出参数有效值计算与故障判据方法，绘制流程图或逻辑图。
5、四、仿真验证给出仿真电路与仿真结果，分析仿真结果同理论计算结果的异同与原因。stOP5 . 08stOP178E6562km38km2174330kmDCBA系统接线图 2 / 23续表进度计划第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：距离保护 I 段、II 段、III 段的整定计算。第三天：系统振荡和过渡电阻的影响分析。 第四天：硬件电路设计最小系统、数据采集、状态检测局部 。第五天：硬件电路设计控制输出、报警显示局部 。 第六天：软件设计有效值计算、故障判据 。第七天：软件设计绘制流程图或逻辑图第八天：仿真验证与分析。 第九天：撰写说明书。第十天：课设总结，迎接辩论。指导教师评语与成绩平时
6、： 论文质量： 辩论：总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 辩论20% 以百分制计算 3 / 23摘 要随着现代电网技术的改良，现代电网环境能很好满足输电线路的电压电流保护构成简单或者没有特殊要求的的中低压电网。但是随着人们用电量和对电网保护灵敏度的提升，再者对保护计算要求的简单化，这使得普通保护在 35KV 与以上的复杂网络中很难适用，因此本文设计了性能较为优越的输电线路保护方案。本文主要设计是针对 220kV 输电线路距离保护，按招保护要求照躲开下一条线路出口处短路的原那么计算保护 1 距离保护第段、第段、第段的整定值和灵敏度。分析系统在最小运行方式下振
7、荡时，保护 1 各段距离保护在电压电流互感器采集到电压电流值之后经模数转换送到 CPU，然后 CPU 经过数据的判断来发出信号控制动作情况。并且分析在具体故障点给定后，保护 1 的三段式距离保护的反响。并且对设计的距离保护进展了建模和详细的分析，并且采用 MATLAB 建立电力系统三段式距离保护的模型，进展仿真分析。最后对本课设的设计过程进展了总结和分析。关键词：三段式距离保护；MATLAB 仿真；灵敏度校验目 录第 1 章 绪论 11.1 距离保护概述.11.2 本文研究容.1第 2 章 输电线路功率方向保护整定计算.22.1 保护 1 距离保护的 段整定计算.22.2 保护 1 距离保护的
8、段的整定.22.3 保护 1 距离保护的段整定.32.4 系统振荡和短路的影响分析 4第 3 章 硬件电路设计 53.1 单片机最小系统设计 53.2 报警电路设计 8 4 / 233.3 模拟量检测电路 83.4 开关量输入输出电路 93.4.1 开关量输入电路 .93.4.2 开关量输出电路 .9第 4 章 软件设计 114.1 主程序流程图 114.2 模拟量采集流程图设计 12第 5 章 实验验证与分析 135.1 MATLAB 软件简介 135.2 距离保护仿真波形与分析 14第 6 章 课程设计总结 16参考文献 17 1 / 23第 1 章 绪论1.1 距离保护概述电力是如今社会
9、开展所缺少的主要能源，其应用广泛，地位重要。电力系统的稳定安全以与经济性，对人民的生活乃至社会稳定都有着极影响。其中在输电线路上的保护尤为重要，我们一般使用作用于断路器的过电流继电器对线路进展保护，达到反响快，误差小，精度快等优点。使用距离保护时应该注意：任何阻抗继电器均需克制机械阻力或阈电压才能动作，所以输入继电器的电流不能太小。输入继电器的电流较小时，继电器的起动阻抗将下降，使距离继电器的实际保护围缩短，这将影响到与相邻线路距离元件的配合，甚至引起非选择性动作。为把起动阻抗的误差限制在一定围,规定了准确工作电流这一指标。当输入电流等于阈电压时,继电器的起动阻抗下降到整定值的 90%；当输入
10、电流大于阈电压时,就可保证起动阻抗的误差在 10%以。因此准确工作电流愈小,那么继电器愈灵敏。当系统发生振荡时，靠近系统振荡中心处的距离保护所测得的电压很低、电流很大，即阻抗很小。为防止在系统振荡时距离保护装置误动作，应加设振荡闭锁装置。在电压互感回路断线时也将造成距离保护误动作，也应增设闭锁元件。距离保护采用的阻抗继电器的接线方式一般为，对相间保护，用 0 度接线方式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。1.2 本文研究容 本文主要对电力系统中，220kV 输电线路距离保护进展设计。 其主要容如下：（1） 首先对系统中保护 1 的各段整定值和灵敏度进展了整定计算。（2） 分析了系统在
11、最小运行方式下振荡时，保护 1 各段距离保护的动作情况。（3） 分析其在距离发电机一定距离的故障点处保护 1 的三段式距离保护的动作情况。（4） 分析各段保护的动作过程，并且采用 MATLAB 建立简单电力系统三段式距离保护的模型，进展仿真分析。 2 / 236955.113838. 08 . 03BCrelsetZKZ第 2 章 输电线路功率方向保护整定计算2.1 保护 1 距离保护的 段整定计算距离 I 段的整定方法按照躲开下一条线路出口处短路的原那么整定其中=0.8，通过该公式计算距离保护第段动作阻抗IrelK确定动作 t=0s整定阻抗角与线路阻抗角相等，而保护区域为被保护线路全长的 8
12、0%。2.2 保护 1 距离保护的段的整定AB 线路的断保护与相邻线路 BC 的 I 段保护相配合。当 1QF 护第段与 BC 线段第段配合时，有：)(3min1setbABrelsetZKZKZ65. 1303038. 08111maxminminsBABsAABBABBABABBCbZZZIIIIIIIK3QF的段保护为故6437.246455.1165. 13038. 08 . 01setZ灵敏度校验： 满足要求。动作 t=0.5sABIrelIopZKZ1 .12. 93038. 08 . 01 .ABIresIopZKZ1.5、1.326. 26 .1257.281 .ABIIopI
13、IsenZZK 3 / 236485.186238. 08 . 04CDrelsetZKZ2.3 保护 1 距离保护的段整定 在本设计中保护元件采用的为方向保护元件，因此段保护要躲过最小负荷阻抗并且与相邻线路的段保护相配合。一躲过最小负荷阻抗，即：)cos(9 . 031max1LsetLerelsetIUKZ 由题意知：,即，而9 . 0cosL8 .25L 64set故6453.66)8 .2564cos(4 . 09 . 035. 031151setZ按与相邻距离保护第段动作时间配合，第段距离保护的动作时间为：stop5 . 21 二与相邻线距离保护第段配合，即：，3min1setbre
14、lABrelsetZKKZKZ8 . 0relrelKK，4min3setbBCrelsetZKZKZ65. 1minbK6443.3685.1865. 13838. 08 . 03setZ21.5743.3665. 138. 0308 . 08 . 03min1）（setbABsetZKZZ应取为相间距离保护第段的整定值。6421.571setZ按与相邻距离保护第段配合，第段距离保护的动作时间为：stop5 . 21进展距离保护第段的灵敏度校验：当作为近后备时，5 . 101. 53038. 021.571ABsetsenZZK当作为远后备时， 4 / 2314. 138. 03868. 2
15、3038. 021.57max1BCbABsetsenZKZZK动作时间为stop5 . 212.4 系统振荡和短路的影响分析当系统发生振荡时，系统的三相对称，因此可研究一相从而得出其余两项的情况。当不考虑振荡同时发生短路时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点。两侧电源电势和电势相等，相角差为系统中各元件阻抗角均相ME.NE.)3600(等，以表示不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。当 dNMEE.且系统中各元件阻抗角相等时，那么系统在最小运行方式下振荡时，其阻抗值大于I 段保护的电阻而小于 II 段保护的电阻，因此相间距离保护 I 段不动作但是 II 段动作。又由于动作时间大于
16、III 段保护动作的时间，所以相间距离保护 III 段不动作。 当系统当距保护 1 出口 20km 处发生带过渡电阻 Rarc=12 的相间短路时，由于在 AB 段的百分之八十以，所以相间距离保护 I 段动作而 II 段和 III 段由于有延时不动作。第 3 章 硬件电路设计3.1 单片机最小系统设计 CPU 的选择本次程设计选择 89C51 单片机为中央处理器CPU ，AT89C51 可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失 , 其性能价格比远高于同 5 / 23类芯片，并且其与各大公司的 MC-51 系列单片机兼容。9C51 部资源：1面向控制的 8 位 CPU2一
17、个片振荡器和时钟产生电路，振荡频率为 0 到 24MHz3片 4KB Flash ROM 程序存储器。4128B 片数据存储器。5可寻址 64KB 的片外程序存储器和片外存储器控制电路62 个 16 位的定时/计数器。7有 4 个并行 I/O 接口分别为 P0、P1、P2 和 P3 口，共 32 条可单独编程的I/O 线。 85 个中断源，2 个中断优先级。9 一个全双工的异步串行口1021 个特殊功能存放器11具有节电工作模式，即休闲方式和掉电保护方式89C51 引脚可分为 3 类： 1电源与时钟引脚：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。2控制信号引脚：、ALE、RESETRST 。PS
18、ENEA3I/O 口引脚：P0、P1、P2、P3 为四个 8 位 I/O 口的外部引脚。89C51 芯片的 I/O 口：1 P0 口：P0 口有两个用途，一是作普通 I/O 口使用；二是作低 8 位地址数据总线使用。2 P1 口：P1 口只做作普通 I/O 使用。3 P2 口：P2 口有两个用途，一是作为普通 I/O 口使用；二是作高 8 位地址线。 4 P3 口：P3 口是一个多功能端口，除了有准双向 I/O 功能外，还具有第二功能。引脚如图 3.1 所示 6 / 23图 3.1 AT89C51 引脚图复位电路的设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此复位电路
19、对单片机是非常重要的。单片机的复位都是靠外部的复位电路来实现复位的，当时钟电路工作后，在单片机的 RESET 引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。为了保证单片机可靠的复位，实际设计电路时，一般使RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平。本设计采用按键式复位电路，原理图如图 3.2 所示。本设计采用的 12MHz 晶振，所以一个机器周期就是 1us，要复位就加 2us 的高电平。图中的 RC 常数是1.5K22uF=33ms，这个常数足够可以使单片机可靠复位。图 3.2 复位电路时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以有两种方式产生：部时钟方式和
20、外部时钟方式。本设计采用部时钟方式，原理图如图 3.3 所示，在XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入部时钟发生器。图 3.3 时钟电路原理图EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD10VCC40VSS20U?89C
21、51VCCR21KR1200RESET+C322uF 7 / 23时钟电路由一个晶体振荡器 12MHZ 和两个 33pF 的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。综上所述整体的最小系统电路图如图 3.4 所示图 3.4 最小系统电路图3.2 报警电路设计报警电路是由 PNP 的发射极接蜂鸣器的一端，其集电极接地，蜂鸣器的另一端接入电源 VCC。报警电路的作用是当电流有效值大小达到或超过上限时进展报警，报警电路与单片机的 P2.3 口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出报警信号，达到其要求。报警电路如图 3.5 所示 P1.
22、01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67RE SE T9P3.010P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XT AL 218XT AL 119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29AL E/PROG30EA /VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40P1.78P3.111AT 89C51C1C2XT AL 2XT AL 1R1200R21K C22uFRE SE TVCCVCCRE
23、SE TVSS 8 / 23图 3.5 报警电路图 3.5 报警电路3.3 模拟量检测电路本文采用的采样法为交流采样法，采用电压互感器电流互感器获取机端电压和电流。而由于模数转换器只能对一定围的电压进展转换，所以还需将电压互感器和电流互感器测得的电压和电流转换成模数转换器能够识别围的大小。本文采用电压转换器 UV 来实现电压信号的转换，用电流转换器 UA 来实现电流信号的转换。其变换器原理如 3.6 图所示。图 3.6 变换器原理图3.4 开关量输入输出电路3.4.1 开关量输入电路对于装在微机继电保护装置面板上的切换开关、按钮、键盘等部开关触点可直接接到并行口，如图 3.7，从装置外部引入的
24、触点必须经过光耦合器芯片，如图3.8，其工作原理为：当外部触点接通时，光耦合器的二极管导通，光耦合器的二极管也导通，其集电极输出低电位，当外部触点断开，光耦合器的二极管不导通，于是晶体管截止，集电极输出高电位。CPU 读并行口该位的状态。采用光耦合器芯片后，将可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路局部之间隔离，两者无直接联系，而光耦合芯片的两个互相隔离局部的分布电容仅仅是几皮法，因此可以大大 9 / 23削弱干扰。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:2-Jan-2017 Sheet of File:F:、MyDesign1.dd
25、bDrawn By:R165kk15Vp2.5图 3.7 开关量输入图 3.8 外部输入3.4.2 开关量输出电路该电路采用有两根并行口输出线与与非门电路来控制开关量输出驱动电路。在图中 PB0 经一反相器。而 PB1 却不经过反相器，这样接可以防止拉合直流电源的过程中继电器 K 的短时误动。当 5V 电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是 5V 电源还是驱动继电器 K 用的电源 U，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得与使继电器的触点短时闭合。采用如图接法，有效地防止了继电器的误动
26、作。开关量输出电路，用于驱动各种继电器，如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障报警继电器等。可采用图 3.9 所示电路，只要 P2.3 输出低电平，P2.2输出高电平，或非门即输出低电平，光敏晶体管导通，继电器 K 吸合，采用两个并123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Jan-2017 Sheet of File:F:、MyDesign1.ddbDrawn By:C50.1uFR32kR4500U1OPTOISO1D1S、5Vp2.0 10 / 23行口一方面提高了带载能力，另一方面，增加了抗干扰能力。P2.1 口具有自检能
27、力，当该位为高电平，说明开出电路正确，否那么说明开出电路有短路故障。图 3.9 开关量输出系统第 4 章 软件设计4.1 主程序流程图本设计采用单片机进展系统控制，首先电压互感器和电流高互感器完成对电压和电流的采集并且送入转换模块，在转换模块对接收到的电压和电流进展转换，将电压和电流转换成模数转换器可识别的信号，然后模数转换器将模拟信号转换为数字信号送入单片机，单片机对信号进展分析输出反响信号从而完成对发电机的控制。主程序流程图如图4.1所示。当系统供电之后，单片机自动初始化，采样模块将进展数据的采集送入转换模块，再经模数转换器将收集到的信号返回到单片机，单片机进展判断来完成保护的动作。初始化
28、参数计算开中断保护动作开 始 11 / 23图 4.1 主程序流程图4.2 模拟量采集流程图设计本设计对线路电流电压的检测至为重要，因为它反映了线路是否发生故障，而且也决定发生故障后线路第几段动作，因此线路电压电流的采集在本系统中显得尤为重要。模拟量的采集流程图如图 4.2 所示。图 4.2 模拟量采集流程图是否符合要求YesNo输入检测装置检测线路电压电流的变化进展数据转换输出 12 / 23第 5 章 实验验证与分析5.1 MATLAB 软件简介MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以与数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主
29、要包括 MATLAB和 Simulink 两大局部。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以与非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进展矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 matlab 开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 具有以下几个优点：1) 高效的数值计算与符
30、号计算功能，能使用户从繁杂的数学 运算分析中解脱 13 / 23出来；2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面与接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。本设计的仿真图如图 5.1 所示。图 5.1 距离保护仿真电路图5.2 距离保护仿真波形与分析当系统处于正常状态时，此时电压的波形是电压三相对称，并且互差 120 度角 。而电流波形也是相互对称并且相差 120 度。电流和电压波形如图 5.2 所示 14 / 23图 5.2 正常状态下时系统的电流和
31、电压波形图系统发生设计中的线路故障时的各相电压电流波形如图 5.3 和图 5.4 所示。改变故障类型仿真得到如下结论：接地距离保护对于围的相间短路不会动作，并且各段中的相间距离保护对于保护围的单相接地故障也不会动作。图 5.3 故障线路的相间电压波形图 5.4 故障线路的相间电流波形当线路发生 BC 两相接地故障时 BC 两相电压减小到零，并且 A 相电压增大。其波形图如图 5.5 所示。线路两相接地故障时的电压波形图反映了系统发生两相接地故障的过程中，故障线路的电压变化，根据系统的发生故障后电流电压的变化，发现距离保护能够反映保护围的各种相间故障和接地故障，实现了本线路保护和后一级级线路的后
32、备保护。仿真结果说明，所建立的保护模型具有实时性和正确性，符 15 / 23合上文的计算结论图 5.5 线路两相接地故障时的电压波形图第 6 章 课程设计总结通过本次课设使我更加深刻地了解了电力系统中的距离保护，是我意识到了距离保护的重要性和其优越性。本课程设计主要研究了距离保护的原理和方案，对保护 1 的三段保护进展了整定值的计算和灵敏度的校验，确定了各段保护的动作时间，并且对系统可能出现的震荡和短路过电阻尽行了分析。最后利用 MATLAB 建立系统模型进展了仿真并且对仿真结果进展了分析。在计算中由于对概念和动作过程了解的不够详细，计算灵敏度的时候也出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。
33、时候与时的修正路数据，才防止了后面的计算错误。计算出来的数据一定要留出一定的裕量，方便实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取。对于仿真后出现的波形也要仔细分析，观察是否符合预期的设计要求。通过本次课设，是我更深入地了解了线路距离保护的原理与理论计算，更加深入的了解了距离保护的应用，学到了许多课本上学不到的知识，以与对以后工作在电力行业所应获得的必不可少的知识。 16 / 23参考文献1 贺家, 宋丛矩. 电力系统继电保护原理M. : 中国电力,1994. 2 王成山，肖朝霞，王守相. 微电网综合控制与分析J . 电力系统自动化.2008,32( 7): 98-103.3 会翔,朱凌云,丽丽
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35、RM 与 DSP 的通信研究J. 工业仪表与自动化装置,2011,(05):17-19+26.10 陆贤群. 浅释微机继电保护的开展趋势J. 科技信息,2011,(09):733-734.11 强. 10.5KV 微机继电保护系统的设计与实现D.华东理工大学,2011.12 汶占武,尚建国. 微机在继电保护中应用的历史、现状与未来J. 凌职业技术 17 / 23学院学报,2011,(01):37-39.13 惠峰,高莉,段新,贠保记. 微机继电保护装置的电磁兼容设计J. 电力系统保护与控制,2009,(17):97-101.14 会翔. 基于双 CPU 综合微机继电保护装置研究与设计D.东华大学,2015.15 邱红. 项目教学法在高职电力系统分析教学中的探索与应用J. 大学教育,2014,(18):174-175.16 娴. 互联电力系统低频振荡特性分析与控制研究D.华中科技大学,2013.
